انواع ژنراتورهای الکتریکی
ولتاژ در داخل یک ژنراتور الکتریکی به وسیلهٔ یک شار مغناطیسی که در ارتباط با یک سیم پیچ دار قرار دارد، تولید می‌شود. پدیدهٔ القای الکترومغناطیس نشان می‌دهد که وجود یک سیم پیچ دار در یک میدان مغناطیسی متغیر به مرور زمان، نیروی محرکهٔ الکتریکی ایجاد می‌کند. تغییرات در میدان مغناطیسی به دلیل دو عامل، یعنی جریان متناوب و یا حرکت سرعتی سیم پیچ دار در میدان، ایجاد می‌شود.
دو روش برای ایجاد تغییرات در میدان مغناطیسی وجود دارد: اول، میدان مغناطیسی اطراف یک هادی ثابت (ساکن) گردش می‌کند و دوم، هادی درون یک میدان مغناطیسی به گردش درآمده و تغییرات در خطوط میدان مغناطیسی را ایجاد می‌کند که به تبع آن جریان الکتریکی در سیم پیچ دار القا می‌شود.
اجزای ژنراتور:
1. موتور:
- موتور ژنراتور به عنوان محرک اصلی ماشین عمل می‌کند و سوخت را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.
- انواع مختلف موتورها از جمله موتورهای رفت و برگشتی، بخار، موتورهای توربین، و میکروتوربین ممکن است استفاده شوند.
- سوخت موتور می‌تواند بنزین، گازوئیل، گاز طبیعی، پروپان، بیودیزل، آب، گاز فاضلاب یا هیدروژن باشد.
2. ژنراتور:
- ژنراتور برق تولیدی است که انرژی مکانیکی تولید شده توسط موتور را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
- ساختمان ژنراتور شامل استاتور و روتور بوده و جریان الکترومغناطیسی را ایجاد می‌کند.
3. سیستم سوخت:
- شامل مخزن سوخت، پمپ سوخت، فیلتر سوخت و انژکتور است.
- سیستم سوخت مسئول جمع‌آوری و انتقال سوخت از مخزن به موتور است.
4. تنظیم کننده ولتاژ:
- این قسمت از ژنراتور برای تنظیم و کنترل ولتاژ تولیدی استفاده می‌شود.
- تنظیم‌کننده ولتاژ برای تنظیم و حفظ ولتاژ خروجی به کار می‌رود.
5. سیستم‌های خنک‌سازی و اگزوز:
- سیستم خنک‌سازی از گرمای بیش از حد جلوگیری می‌کند و دمای اجزای ژنراتور را تنظیم می‌کند.
- سیستم اگزوز برای دفع گازهای مضر تولید شده از مصرف سوخت به کار می‌رود.
6. سیستم روغن‌کاری:
- این سیستم مسئول روان نگه‌داشتن قطعات متحرک ژنراتور و تزریق روغن به نقاط مورد نیاز است.
- تعویض منظم روغن و کنترل سطح آن از اهمیت زیادی برخوردار است.
7. شارژ باطری:
- باتری در ابتدای عملکرد ژنراتور جهت شروع مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- شارژر باتری به شارژ کردن و نظارت بر سطح باتری می‌پردازد.
8. پنل کنترل:
- پنل کنترل مسئول کنترل الکتریکی کل سیستم ژنراتور است.
- کنترل و نظارت بر ولتاژ، جریان، فرکانس و دیگر پارامترهای مهم این قسمت را تشکیل می‌دهد.
9. چارچوب اصلی:
- چارچوب یا شاسی موتور ژنراتور، ساختار اصلی است که تمامی اجزای بالا بر روی آن نصب می‌شوند.
- این قسمت می‌تواند قابل حمل یا ثابت باشد و تجهیزات را در بر بگیرد.
طراحی ژنراتور
اجزای یک ژنراتور سه فاز AC را در شکل زیر مشاهده می‌فرمایید.
تفاوت بین رتور قطب برجسته و رتور قطب صاف
ساختار رتور در دو نوع قطب برجسته و قطب صاف تشکیل می‌شود. در رتور قطب برجسته، قطبها به صورت برجسته‌تر از سطح رتور ظاهر می‌شوند و این نوع رتورها عمدتاً در ژنراتورهای ۴ قطبی یا بیشتر به‌کار می‌روند. اما در رتور قطب صاف، قطبها با سطح رتور هم‌ارتفاع هستند و به‌طور عمده در ژنراتورهای سنکرون و توربوژنراتورهای ۲ یا ۴ قطبی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
رتورهای قطب برجسته در ژنراتورهای هیدرولیکی و چند قطبی با سرعت کم به‌کار می‌روند. به عنوان مثال، این نوع رتورها در ماشین‌های با سرعت کم مانند نیروگاه‌های آبی به‌کار می‌روند. در عوض، رتورهای قطب صاف در ژنراتورهای با سرعت بالا به‌کار می‌روند. شکل زیر با دقت تفاوت‌های ساختاری بین رتور قطب برجسته و رتور قطب صاف (قطب مخفی) در ژنراتور را نشان می‌دهد.
انواع ژنراتور
ژنراتورها به صورت کلی به دو دسته AC و DC تقسیم بندی می‌شوند:
ژنراتور AC
ژنراتور AC یا ژنراتور آلترناتور، دستگاهی است که توان مکانیکی را به توان الکتریکی AC تبدیل می‌کند. این نوع ژنراتور برای تولید جریان متناوب با فرکانس ۵۰ یا ۶۰ هرتز طراحی شده است. ساختار ژنراتور AC از یک هادی یا حلقه سیم در یک میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک الکترومغناطیس تشکیل شده است.
دو انتهای حلقه به حلقه‌های لغزان متصل می‌شوند و با دو جاروبک در تماس قرار دارند. این حلقه‌ها از طریق جاروبک‌ها جریان مدار را فراهم می‌کنند. هنگامی که حلقه چرخانده می‌شود، خطوط مغناطیسی نیرو را قطع می‌کند، ابتدا در یک جهت و سپس در جهت دیگر.
زمانی که حلقه در وضعیت عمودی (صفر درجه) قرار دارد، سیم پیچ موازات با میدان حرکت کرده و خطوط مغناطیسی نیرو را قطع نمی‌کند. در این لحظه، هیچ ولتاژی از حلقه تولید نمی‌شود. اما با چرخش سیم پیچ به سمت خلاف جهت عقربه‌های ساعت، سوءت‌های سیم پیچ خطوط مغناطیسی نیرو را در جهت مخالف قطع می‌کنند و این اقدام منجر به تولید ولتاژ می‌شود.
جهت ولتاژهای القایی به جهت حرکت سیم پیچ وابسته است:
جهت ولتاژهای القایی به جهت حرکت سیم پیچ وابسته است. ولتاژهای القایی به صورت سری جمع می‌شوند، به طوری که حلقه لغزان X به عنوان مثبت (+) عمل کرده و حلقه لغزان Y به عنوان منفی (-) عمل می‌کند. در نتیجه، پتانسیل موجود در مقاومت R باعث جریان الکتریکی از Y به سمت X از طریق مقاومت می‌شود.
زمانی که سیم پیچ به صورت افقی نسبت به خطوط مغناطیسی قرار دارد (۹۰ درجه)، جریان به جریان ماکزیمم افزایش می‌یابد. این حالت باعث می‌شود که سیم پیچ به صورت عمود بر میدان حرکت کند و بیشترین تعداد خطوط نیروی مغناطیسی را قطع کند.
با ادامه چرخش سیم پیچ، ولتاژ و جریان القایی تا رسیدن به صفر کاهش می‌یابد، تا جایی که سیم پیچ دوباره به حالت عمودی (۱۸۰ درجه) برگردد. در نیمه دیگر دوران، ولتاژ با پلاریته قطب معکوس می‌شود (۲۷۰ و ۳۶۰ درجه). این تغییر پلاریته با چرخش ۳۶۰ درجه‌ای سیم پیچ، به تولید موج سینوسی AC منجر می‌شود.
ژنراتور DC
ژنراتور DC نیز یک نوع ژنراتور است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی DC تبدیل می‌کند. جریان القایی که در هادی‌های آرمیچر ایجاد می‌شود، ابتدا به صورت متناوب است و با استفاده از کموتاتور (حلقه رسانای استوانه‌ای لغزان) به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌شود.
کموتاتور، یک حلقه رسانای استوانه‌ای لغزان با شکاف‌هایی است که به آرمیچر متصل می‌شود و تغییرات جریان را ایجاد می‌کند. در ژنراتور DC، کموتاتور جریان را از آرمیچر دوار می‌گیرد و آن را به صورت جریان مستقیم به بار ارسال می‌کند. به عبارت دیگر، کموتاتور در ژنراتور DC مسئول جمع‌آوری و گرفتن جریان است. جاروبک‌ها در ژنراتور DC جریان را از کموتاتور برمی‌دارند و آن را به مدار منتقل می‌کنند.
در ساختار ژنراتور DC، دو انتهای حلقه سیم به کموتاتور وصل می‌شوند. با چرخش حلقه سیم در میدان مغناطیسی، حلقه شکاف‌دار کموتاتور به حرکت درمی‌آید؛ هر نیمه از حلقه شکاف‌دار با جاروبک‌ها در تماس است. جاروبک‌ها ارتباط مدار خارجی را با سیم دوار برقرار می‌کنند. مقدار ولتاژ القایی به نسبت زاویه حرکت سیم نسبت به خطوط شار تغییر می‌کند، زیرا مقدار خطوط شاری که سیم قطع می‌کند به زاویه حرکت بستگی دارد.
در نیمه دوم ژرفا، جاروبک‌ها به کموتاتور مخالف سوئیچ می‌کنند و این تغییر باعث می‌شود که پلاریته ولتاژ خروجی تغییر نکند. با افزایش تعداد حلقه‌ها به دو یا چند حلقه، میانگین ولتاژ افزایش می‌یابد و باعث ریپل نرم‌تر می‌شود.
مدار معادل ژنراتور DC یا جریان مستقیم با تحریک مستقل
در مدار معادل ژنراتور DC با تحریک مستقل، یک نوآوری جدید به کار گرفته شده است که تماماً متفاوت از روش های معمول تولید جریان مستقیم است. در اینجا، الکتریسیته به صورت مستقل از مدار آرمیچر به مدار تحریک منتقل می‌شود. سیم پیچ تحریک از طریق یک منبع ولتاژ مستقل تغذیه می‌شود، و این به وسیله‌ی ارتباط الکتریکی میان مدار آرمیچر و مدار تحریک بهبود یافته است.
این نوع مدار باعث افزایش کارایی ژنراتور DC می‌شود و از ایجاد پیچیدگی‌های اضافی در ارتباطات الکتریکی جلوگیری می‌کند. با این روش نوین، انتقال الکتریکی بین مدارها بهبود یافته و به تحقیقات و پیشرفت در زمینه‌ی فناوری انرژی جدیدی افتتاح کرده است.
کاربرد ژنراتورهای تحریک مستقل
ژنراتورهای تحریک مستقل به دلیل پایداری ولتاژ بسیار بالا در مقابل تغییرات جریان بار، در بسیاری از کاربردها به کار می‌روند. عملاً این ژنراتورها دارای ولتاژ ثابت هستند و این ویژگی آن‌ها را برای استفاده در نیروگاه‌های برق و تغذیه تحریک ژنراتورهای AC بسیار مناسب می‌سازد. همچنین، در فرآیند شارژ باتری‌ها نیز از این نوع ژنراتور بهره‌مندی بسیار بالایی دارند. این تنوع در کاربردها نشان‌دهنده چندگانگی و کارآیی بالای ژنراتورهای تحریک مستقل است که در انتقال و تولید انرژی برق ایجاد نوآوری مهمی به وجود آورده است.
جدیدترین اختراع در علم تکنولوژی: مدار معادل ژنراتور DC شنت
در این نسل از ژنراتورها، مدار سیم پیچ تحریک به طور موازی با مدار سیم پیچی آرمیچر ارتباط برقرار می‌کند. این مدل جدید، به نام ژنراتور DC شنت، کاربردهای گسترده‌تری نسبت به ژنراتورهای تحریک مستقل دارد. این ژنراتور بدون نیاز به منبع ولتاژ مستقل برای تحریک عمل می‌کند و جریان بار و جریان تحریک به وسیله سیم پیچ آرمیچر این ژنراتور تأمین می‌شود.
علاوه بر این، جریان بیشتری به سیم پیچ آرمیچر ژنراتور شنت وارد می‌شود نسبت به ژنراتورهای تحریک مستقل. به همین دلیل، افت ولتاژ ناشی از مقاومت سیم پیچی آرمیچر و تأثیرات مغناطیسی آرمیچر در این ژنراتور بیشتر از سایر مدل‌ها میباشد.
کاربردهای ژنراتور DC شنت نیز بسیار گسترده است؛ این ژنراتورها به منظور شارژ باتری‌ها و همچنین برای تحریک ژنراتورهای نیروگاه‌ها با کارآیی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. این اختراع نوین، نقل و انتقال انرژی را به یک سطح جدید از کارایی و بهره‌وری برای صنعت برق و انرژی برتری می‌بخشد.
پیشرفت جدید در تکنولوژی ژنراتورهای جریان مستقیم DC با تحریک سری
در دسته‌بندی ژنراتورهای DC، مدل سری با مدار تحریک به شیوه‌ای جدید معرفی شده است. در این مدل، مدار تحریک به صورت سری با مدار آرمیچر ارتباط برقرار می‌کند، که تداخل مستقیم جریان سیم پیچ تحریک و جریان آرمیچر را ایجاد می‌کند. این هماهنگی منحصر به فرد باعث تأمین ولتاژ سیم پیچ تحریک می‌شود.
کاربرد ژنراتور DC سری نیز در زمینه‌های خاصی قابل اجراست. به دلیل عدم پایداری ولتاژ در مقابل تغییرات بار در پایانه‌های آن، استفاده از این نوع ژنراتور به عنوان یک منبع ولتاژ ثابت مناسب نیست و نیاز به درصد بالایی از تنظیم ولتاژ دارد. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که ژنراتور DC سری در برخی از موارد محدودت‌هایی داشته باشد و کاربردهای محدودی داشته باشد.
تکنولوژی پیشرفته در ژنراتورهای DC با تحریک کمپوند
در حوزه‌ی ژنراتورهای DC، نوآوری‌های جدیدی به نام ژنراتورهای DC با تحریک کمپوند معرفی شده‌اند که بر اساس نحوه اتصال سیم پیچی‌های تحریک، به چندین زیردسته تقسیم می‌شوند.
- ژنراتور کمپوند اضافی: این نوع ژنراتور دارای سیم پیچ تحریک به صورت سری با سیم پیچ آرمیچر و یک سیم پیچ تحریک شنت میباشد. این ترکیب منحصر به فرد امکان تولید ولتاژ با ولتاژ ثابت و پایدار را فراهم می‌کند.
- ژنراتور کمپوند نقصانی: در این نوع، سیم پیچ تحریک به صورت سری با سیم پیچ آرمیچر و سیم پیچ تحریک شنت می‌شود. این تنظیمات به منظور کاهش نقصان‌های ولتاژ در تغییرات بار مفید هستند.
- ژنراتور کمپوند شنت بلند: این ژنراتور با سیم پیچ تحریک به صورت سری با سیم پیچ آرمیچر و یک سیم پیچ تحریک شنت بلند ارتباط دارد. این تنظیمات به منظور تولید ولتاژ با نقصان کمتر در تغییرات بار مناسب هستند.
- ژنراتور کمپوند شنت کوتاه: در این ژنراتور، سیم پیچ تحریک به صورت سری با سیم پیچ آرمیچر و یک سیم پیچ تحریک شنت کوتاه ارتباط دارد. این ترکیب مناسب برای کاربردهایی است که نیاز به کنترل دقیق ولتاژ در طول تغییرات بار دارند.
با این پیشرفت‌های تکنولوژی، ژنراتورهای DC با تحریک کمپوند تنوع و بهره‌وری بیشتری در انتقال انرژی فراهم می‌کنند.
تکنولوژی ژنراتورهای تک فاز و تنظیمات سیم پیچ
در دنیای انرژی، ژنراتورهای تک فاز (آلترناتورها) نقش کلیدی در تولید جریان متناوب AC بازی می‌کنند. این ژنراتورها با یک حلقه سیم به سرعت ثابت در میدان مغناطیسی با چگالی شار یکنواخت، حرکت چرخشی دارند. این حرکت، ولتاژی با شکل موج سینوسی در حلقه سیم تولید می‌کند.
در حالتی که شکاف هوایی بسیار بزرگ بین دو قطب میدان وجود دارد، تولید چگالی شار مناسب مختلف می‌شود و این باعث تولید ولتاژ کمی در مولد می‌شود. به همین دلیل، این آرایش غیرعملی به حساب می‌آید.
ساختار و عملکرد ژنراتور AC با روتور ساکن
در این نوع ژنراتور، قطب‌های میدان روی بخش متحرک ماشین، یعنی روتور قرار دارد و جریان سیم پیچ‌های آن توسط یک منبع DC و از طریق جاروبک‌ها و حلقه‌های لغزان تأمین می‌شود. روتور نیز توسط یک عامل خارجی با سرعت ثابت چرخانده می‌شود. در این حالت، تعداد قطب‌های ماشین (که همواره زوج است) به سرعت روتور و فرکانس سیم پیچی استاتور بستگی دارد. به عنوان مثال، برای تولید ولتاژ در یک ماشین ۶ قطب با فرکانس ۶۰ هرتز، سرعت روتور ۱۲۰۰ دور در دقیقه است.
در این ماشین، سیم پیچی آرمیچر ساکن است و سیم پیچ‌های متمرکز این سیم پیچی به گونه‌ای به یکدیگر وصل می‌شوند که ولتاژهای القاء شده در همه آن‌ها به یکدیگر اضافه شده و ولتاژ نهایی را تشکیل می‌دهند.
با قرار دادن یک مقاومت متغیر در خط تغذیه DC، می‌توان جریان تحریک قطبها را تغییر داد و چگالی شار فاصله هوایی و در نتیجه ولتاژ متناوب خروجی را کنترل کرد.
هنوز هم ساختار این ژنراتور دارای کارآیی بهینه نیست، زیرا سیم پیچی‌های هر قطب در یک شیار استاتور متمرکز شده‌اند و از حجم و محیط داخلی استاتور به نحو بهینه استفاده نمی‌شود. در ماشین‌های تجاری، معمولاً تعداد شیارهای بیشتری در استاتور وجود دارد و سیم پیچی‌ها به صورت توزیع شده در این شیارها قرار می‌گیرند.
کاربرد ژنراتورهای تک فاز بزرگ
ژنراتورهای تک فاز بزرگ به طور معمول در مقیاس تجاری و انبوه ساخته نمی‌شوند، و اکثراً در بازار به ژنراتورهای با توان از ۱ KVA تا ۵ KVA تعلق دارند. این دستگاه‌ها معمولاً به عنوان منابع تأمین اضطراری برای دستگاه‌های قابل حمل یا به عنوان ژنراتورهای اضطراری خانگی در زمان قطعی از شبکه برق استفاده می‌شوند، و توان مکانیکی آن‌ها توسط موتورهای احتراق داخلی، تراکتورها یا منابع دیگر تأمین می‌شود.
واحدهای ژنراتوری تک فاز که از ترکیب یک ژنراتور تک فاز به همراه یک موتور بنزینی ساخته می‌شود، نیز در قالب‌های قابل حمل یا ثابت موجود هستند.
اهمیت ویژه‌ای به وجود این واحدها در جاهایی که قطعی در تأمین برق خسارات زیادی به همراه دارد، اختصاص دارد. به عنوان مثال، در یک سردخانه که دارای مقدار زیادی گوشت در یخچال‌های خود است، قطعی در امداد واحد می‌تواند خسارات جبران‌ناپذیری ایجاد کند.
تولید ولتاژ دوفاز
در این نمودار، یک حلقه سیم دیگر به دو حلقه لغزان دیگر متصل شده است، که دو انتهای آن به یکدیگر متصل می‌شوند. زاویه مکانیکی بین این دو حلقه (در یک ماشین دو قطب) ۹۰ درجه است. در هنگامی که ولتاژ حلقه اول در مقدار حداکثر خود قرار دارد، ولتاژ حلقه دوم صفر است و برعکس.
ژنراتور سه فاز
ژنراتور سه فاز، با حاوی ۶ سیم پیچ رسانا، در میدان مغناطیسی متغیر قرار دارد. این ژنراتور سه فاز، سه فاز ولتاژ را با فاصله زاویه‌ای ۱۲۰ درجه از یکدیگر تولید می‌کند. در تصویر زیر، ساختار ژنراتوری نمایش داده شده است که سه سیم پیچ بر روی یک محور مشترک قرار دارند و زاویه بین نقطه شروع هرکدام و پیچک بعدی برابر با ۱۲۰ درجه است.
حلقه لغزان نیز در تصویر مشاهده می‌شود. از طریق اتصال یک ترمینال از هر سیم پیچ به عنوان نقطه مشترک یا نقطه نول به یکدیگر، وصل کردن سه ترمینال باقی‌مانده به سه حلقه لغزان می‌توان آن‌ها را از ماشین جدا کرد. این نوع اتصال به نام Y یا ستاره شناخته می‌شود.
سخن آخر
در این مقاله از الکتروشایلی به نقش و عملکرد ژنراتورهای AC و DC با تحلیل دقیقی از ساختار و عملکرد هرکدام پرداخته شد. ابتدا به ژنراتور AC با توضیح در مورد مبانی فیزیکی و نحوه تولید جریان متناوب پرداخته شد. سپس به ژنراتور DC پرداخته شد و نحوه تولید جریان مستقیم با استفاده از کموتاتور مورد بررسی قرار گرفت.
همچنین انواع مختلف ژنراتورها از جمله تحریک مستقل و شنت نیز مورد بحث قرار گرفت. در نهایت، برخی از کاربردهای این ژنراتورها، از جمله در نیروگاه‌ها و شارژ باتری‌ها، به طور خاص مورد بررسی قرار گرفت.
